(57)【要約】【課題】遷移状態作動時に大きなクリアランスをもたらし、定常状態作動時に狭いクリアランスをもたらすタービンアセンブリ用静止シールを提供すること。【解決手段】タービンアセンブリ用のステータシールは、タービンステータに固定できるとともに環状内側表面を含むシールベースと、環状内側表面に設けられたアブレイダブル皮膜とを含む。アブレイダブル皮膜及び環状内側表面は、軸方向膨張に資する遷移状態作動セクションと狭いクリアランスに資する定常状態作動セクションとを含む所定の断面プロファイルを有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンステータに固定できるとともに環状内側表面を含むシールベースと、
環状内側表面に設けられたアブレイダブル皮膜と
を備えるタービンアセンブリ用ステータシールであって、アブレイダブル皮膜及び環状内側表面が、軸方向膨張に資する遷移状態作動セクションと狭いクリアランスに資する定常状態作動セクションとを含む所定の断面プロファイルを有する、ステータシール。
【請求項２】
前記所定の断面プロファイルが、第１の厚さの遷移状態作動セクションから第２の厚さの定常状態作動セクションまでアブレイダブル皮膜のテーパプロファイルを含む、請求項１記載のステータシール。
【請求項３】
第１の厚さが約０．０２０インチであり、第２の厚さが約０．１００インチである、請求項２記載のステータシール。
【請求項４】
前記所定のプロファイルが多角形のアブレイダブル皮膜を含む、請求項１記載のステータシール。
【請求項５】
前記シールベースが、定常状態作動時の回転シール歯の軸方向突出位置に隣接した１以上のシールランドを含んでいて、前記定常状態作動セクションが、１以上のシールランドに設けられたアブレイダブル皮膜を含む、請求項１記載のステータシール。
【請求項６】
前記遷移状態作動セクションが、１以上のシールランドのいずれかの側の軸方向領域を含む、請求項５記載のステータシール。
【請求項７】
前記シールベースが、定常状態作動時の３つの回転シール歯の軸方向突出位置に隣接した３つのシールランドを含む、請求項５記載のステータシール。
【請求項８】
前記遷移状態作動セクションが第１の密度のアブレイダブル皮膜を含んでいて、前記定常状態作動セクションが第１の密度よりも高い第２の密度のアブレイダブル皮膜を含む、請求項１記載のステータシール。
【請求項９】
第１の密度のアブレイダブル皮膜がその皮膜内に溝を含む、請求項８記載のステータシール。
【請求項１０】
前記溝が周方向又は軸方向に配向している、請求項９記載のステータシール。
【請求項１１】
第１の密度のアブレイダブル皮膜がローレット面を含む、請求項８記載のステータシール。
【請求項１２】
第１の密度のアブレイダブル皮膜が、増大した皮膜ポロシティを有する、請求項８記載のステータシール。
【請求項１３】
タービンステータに固定できるとともに環状内側表面を含むシールベースと、
環状内側表面に設けられたアブレイダブル皮膜と
を備えるタービンアセンブリ用ステータシールであって、アブレイダブル皮膜及び環状内側表面が、
遷移状態作動時のシール歯の軸方向突出位置から定常状態作動時のシール歯の軸方向突出位置に向かってテーパの付いたプロファイルを有するアブレイダブル皮膜、
定常状態作動時のシール歯の軸方向突出位置に隣接したシールランドを有するシールベースと該シールランドに設けられたアブレイダブル皮膜、及び
遷移状態作動時のシール歯の軸方向突出位置に隣接した位置よりも定常状態作動時のシール歯の軸方向突出位置に隣接した位置で高い密度を有するアブレイダブル皮膜
のいずれかを含む所定のプロファイルを有する、ステータシール。
【請求項１４】
シールランドを有するシールベースを備える所定のプロファイルが、シールランドのいずれかの側の軸方向領域を含む、請求項１３記載のステータシール。
【請求項１５】
定常状態作動時のシール歯の軸方向突出位置に隣接した位置で高い密度を有するアブレイダブル皮膜をもつ所定のプロファイルが、遷移状態作動時のシール歯の軸方向突出位置に隣接した皮膜に溝を含む、請求項１３記載のステータシール。
【請求項１６】
前記溝が周方向又は軸方向に配向している、請求項１５記載のステータシール。
【請求項１７】
定常状態作動時のシール歯の軸方向突出位置に隣接した位置で高い密度を有するアブレイダブル皮膜をもつ所定のプロファイルが、ローレット面を有する第１の密度のアブレイダブル皮膜を含む、請求項１３記載のステータシール。
【請求項１８】
定常状態作動時のシール歯の軸方向突出位置に隣接した位置で高い密度を有するアブレイダブル皮膜をもつ所定のプロファイルが、遷移状態作動時のシール歯の軸方向突出位置に隣接した皮膜で増大したポロシティを有する、請求項１３記載のステータシール。
【請求項１９】
タービンアセンブリ用のステータシールを形成する方法であって、
タービンステータに固定できるとともに環状内側表面を含むシールベースを用意するステップと、
環状内側表面にアブレイダブル皮膜を設けるステップであって、アブレイダブル皮膜及び環状内側表面が、軸方向膨張に資する遷移状態作動セクションと狭いクリアランスに資する定常状態作動セクションとを含む所定の断面プロファイルをもつようにするステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械のクリアランスのシールに関し、特に遷移状態作動時に大きなクリアランスをもたらし、定常状態作動時に狭いクリアランスをもたらすタービンアセンブリ用静止シールに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機械には、特に限定されないが、ガスタービン及び蒸気タービンがある。タービンの可動部品はロータと呼ばれ、固定された非可動部品（ハウジング、ケーシングなど）はステータと呼ばれる。通常、ロータは、ステータアセンブリ内で非常に高速度で回転して発電機を駆動し、発電機で電気又は出力を発生させる。
【０００３】
蒸気タービンは蒸気経路を有しており、蒸気経路は通常は蒸気入口、タービン及び蒸気出口を直流関係で含んでいる。ガスタービンはガス経路を有し、ガス経路は通常は吸気口（又は入口）、圧縮機、燃焼器、タービン及びガス出口（又は排気ノズル）を直流関係で含んでいる。ガス又は蒸気経路の内外への、高圧領域から低圧領域へのガス又は蒸気の漏れは概して望ましくない。例えば、ガスタービンのタービン又は圧縮機のロータと、周方向に囲繞するタービン又は圧縮機ケーシングとの間のタービン又は圧縮機領域でのガス経路漏洩は、ガスタービンの効率低下、燃費の増大を招く。
【０００４】
半径方向クリアランスを狭めることが高い効率を達成する上で重要である。非設計点でのタービン作動は、ロータとステータとが接触し、タービンの「摩擦」が起こることを意味する場合が多い。クリアランスを大きくすれば摩擦を回避することができるが、タービン性能の損失を伴う。
【０００５】
ステータシール用にアブレイダブル皮膜が開発されている。かかる皮膜の存在によって、ロータシール歯に恒久的損傷を与えずに、ロータをステータと接触させることができる。或いは、ロータは、ステータシールの皮膜の一部を擦り落とす。他のタービンでは、同じ結果を達成するためハニカム金属のようなアブレイダブル材料を用いる。
【０００６】
通例、ある運転期間後にタービンをシャットダウンするときは、ターニングギアを用いてロータをゆっくりと回転させ、不均一な冷却を防ぐ。ごく稀に、タービンタービンシャットダウン中又はシャットダウン後に、ロータシール歯がステータシール皮膜（アブレイダブル皮膜）を貫通することがある。その原因として、タービン運転の種類、タービンロータ及び／又はステータの熱変形その他の変形、タービン部品の寸法のばらつき、或いはこれらの組合せが考えられる。複数のシール歯に影響を与えるほど貫通が深いと、ロータとステータとの摩擦がターニングギア性能に打ち勝って、ロータが動かなくなって（「ロックアップ」して）しまうことがある。
【０００７】
金属温度が周囲空気の温度に近づくと、タービンは設計通りの低温形状へと戻り、ロータはステータから解放される。残念ながら、このプロセスに数日かかることがある。数日間の運転停止は、収益損失のためタービンオペレータには受け入れがたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７８５２０９２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
長期運転停止を回避できるようにステータシールを修正できれば望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
例示的な実施形態では、タービンアセンブリ用のステータシールは、タービンステータに固定できるとともに環状内側表面を含むシールベースと、環状内側表面に設けられたアブレイダブル皮膜とを含む。アブレイダブル皮膜及び環状内側表面は、軸方向膨張に資する遷移状態作動セクションと狭いクリアランスに資する定常状態作動セクションとを含む所定の断面プロファイルを有する。
【００１１】
別の例示的な実施形態では、タービンアセンブリ用のステータシールは、タービンステータに固定できるとともに環状内側表面を含むシールベースと、環状内側表面に設けられたアブレイダブル皮膜とを含む。アブレイダブル皮膜及び環状内側表面は、遷移状態作動時のシール歯の軸方向突出位置から定常状態作動時のシール歯の軸方向突出位置に向かってテーパの付いたプロファイルを有するアブレイダブル皮膜、定常状態作動時のシール歯の軸方向突出位置に隣接したシールランドを有するシールベースと該シールランドに設けられたアブレイダブル皮膜、及び、遷移状態作動時のシール歯の軸方向突出位置に隣接した位置よりも定常状態作動時のシール歯の軸方向突出位置に隣接した位置で高い密度を有するアブレイダブル皮膜のいずれかを含む所定のプロファイルを有する。
【００１２】
さらに別の例示的な実施形態では、タービンアセンブリ用のステータシールの形成方法は、タービンステータに固定できるとともに環状内側表面を含むシールベースを用意するステップと、環状内側表面にアブレイダブル皮膜を設けるステップであって、アブレイダブル皮膜及び環状内側表面が、軸方向膨張に資する遷移状態作動セクションと狭いクリアランスに資する定常状態作動セクションとを含む所定の断面プロファイルをもつようにするステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】多角形のアブレイダブル皮膜断面プロファイルを有するタービンアセンブリ用のステータシールを示す図。
【図２】テーパ付アブレイダブル皮膜断面プロファイルを有するタービンアセンブリ用のステータシールを示す図。
【図３】狭いシールランドを用いた別の実施形態を示す図。
【図４】回転シール歯に設けられた切削要素を示す図。
【図５】回転シール歯に設けられた切削要素を示す図。
【図６】別の静止シール構成を示す図。
【図７】別の静止シール構成を示す図。
【図８】別の静止シール構成を示す図。
【図９】別の静止シール構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態は、上述のニーズに対処すべく、タービンアセンブリ用のステータシールを提供する。ステータ又は静止シールは概してタービンステータに固定できるシールベース１２を含んでおり、シールベース１２は環状内側表面を含んでいる。シールベースは、シュラウド、タービンケーシング、及びタービンノズルの環状アセンブリの１以上とすることができる。シールベース１２の環状内側表面にアブレイダブル皮膜１４が設けられる。アブレイダブル皮膜１４の一部は、軸方向膨張に資する遷移状態作動セクション１６と狭いクリアランスに資する定常状態作動セクション１８とを含む所定のプロファイルで除去される。
【００１５】
図１及び図２を参照すると、所定のプロファイルには、除去されたアブレイダブル皮膜についての第１の厚さの遷移状態作動セクション１６から第２の厚さの定常状態作動セクション１８までのテーパプロファイル（図２）がある。例示的な実施形態では、第１の厚さは約２０ミル（０．０２０インチ）であり、第２の厚さは約１００ミル（０．１００）である。或いは、所定のプロファイルとして、多角形の形状（図１）で除去されたアブレイダブル皮膜が挙げられる。これに関して、アブレイダブル皮膜プロファイルは、シールの軸方向定常状態位置（つまりシールの摩擦が起こりやすい位置）から離れたところでクリアランスが大きくなるように修正される。図１及び図２は、可能な２通りの皮膜プロファイルを示しているが、他の形状も可能である。クリアランスの増大を静止シールの右側に示してあるが、左側にも適用できる。クリアランス設計の計算は、対象のタービンの具体的な幾何形状に基づいて皮膜プロファイルの詳細を決定する。
【００１６】
シールの成膜後機械加工を行って、テーパ付クリアランスプロファイルを作り出すことができる。プロファイルは、スプレーガンの速度又は皮膜溶射速度（流量）の変更によるコーティングプロセスの修正によっても作り出すことができる。
【００１７】
図３は、別の解決策を示す。図３では、シールベースは、定常状態作動時の回転シール歯２２の軸方向突出位置に隣接した１以上のシールランド２０を含む。シールランド２０は、図に示すように、シールベースの半径方向内側の部分である。これに関して、定常状態作動セクション１８は、１以上のシールランド２０に設けられたアブレイダブル皮膜１４を含む。遷移状態作動セクション１６は、シールランド２０のいずれかの側の軸方向領域を含む。好ましくは、シールベース１２は、図に示すように、定常状態作動時の３つの回転シール歯２２の軸方向突出位置に隣接した３つのシールランド２０を含む。ランド２０から離れたステータシールは、遷移状態作動時の半径方向クリアランスが大きくなるように製造される。
【００１８】
別の解決策として、ブラシシールと共に使用されるアブレイダブルシールが挙げられる。この場合、ナイフエッジシールはガードシールであり、主たる封止作用はブラシシールによってなされる。アブレイダブルシール材料をなくして、ガードシールクリアランスを開けると、ロックアップの危険性は低下するが、漏れと性能損失は増大する。
【００１９】
上述の通り、既存の静止シールでは、シール歯がアブレイダブルシール材料を貫通すると、ロータとステータとの熱膨張の差に起因して相対的に軸方向に移動することもある。その結果、シール歯は、半径方向及び軸方向の両方向でアブレイダブル皮膜を削り込む。そのため、軸方向接触力及び接線方向摩擦力が極めて大きい。
【００２０】
この問題に対する解決策は、図４（分かり易くするため強調してある）に示すように、切削要素２４を回転シール歯２２に付けることである。カッター歯は、発電及び航空機推進用のガスタービン用途で広く使用されている。しかし、これらの用途のカッター歯は、半径方向と軸方向の両方向での切削に使用されており、図に示すように軸方向だけの切削には使用されていない。図に示すようなＪ字形シールの形態のバケット先端上及びロータ上の薄シールプロファイルは、単なるシールの冷間加工によってカッター歯２４を形成することができる。図５は、冷間加工で形成されたカッター先端２４を備えるバケット先端シールの上面図を示す。歯２４は、図の上側に示すように、バケットの中間でシールをディンプル加工することによって、或いは図の下側に示すように、バケットのシールの端部を若干折り曲げることによって形成することができる。歯２４は、シールの片側又は両側で用いることができる。この解決策は、ロータの組立が完成したときに最終的なロータ機械加工でバケット先端シールがカットされるので、蒸気タービンで特に有利である。
【００２１】
別の実施形態は、シール材料を快削性のものとすること、つまり一段とアブレイダブルなものとすることである。これに関して、図６を参照すると、遷移状態作動セクション１６は第１の密度のアブレイダブル皮膜１４１を含んでいて、定常状態作動セクション１８は第１の密度よりも高い第２の密度のアブレイダブル皮膜１４２を有する。こうして、摩擦が起こりやすい領域では、皮膜１４１の密度が低い。これは数多くの手段で達成できる。その一つは、所定の領域で皮膜ポロシティを高めることである。図７及び図８を参照すると、もう一つの方法は、周方向（図７）又は軸方向（図８）のいずれかに配向した、皮膜の溝２６を用いることである。溝２６は、シール漏洩が最小限に保たれるように、摩擦領域だけに設けることができる。さらに別の方法は、所定の領域（図９）にローレット面２８を形成することである。ローレット加工は、かかる表面の形成に適したプロセスではないかもしれないが、ＥＤＭ又はＥＣＭのような慣用機械加工プロセスを用いてもよい。
【００２２】
タービンデータは、定常状態シール位置が摩擦境界の外側又は軸方向端にあることを示している。これは、摩擦の予想される軸方向位置で半径方向クリアランスを増大させても、定常状態でのクリアランスは影響を受けず、タービン性能に影響がないことを示している。好ましい実施形態の構造では、アブレイダブル皮膜プロファイルは、シールの軸方向定常状態位置つまりシールの摩擦が起こり易い位置から離れた位置でクリアランスが増大するように変更される。この構造は、シール摩擦のおそれを低減するとともに、シール摩擦時のロックアップの危険性も低減する。さらに、かかる危険性の低減は、性能又はコストを犠牲にせずに、達成される。
【００２３】
現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態を例にとって本発明を説明してきたが、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に記載された技術的思想及びその技術的範囲に属する様々な修正及び均等な構成を包含する。
【符号の説明】
【００２４】
１２  シールベース
１４  アブレイダブル皮膜
１６  遷移状態作動セクション
１８  定常状態作動セクション
２０  シールランド
２２  回転シール歯
２４  カッター先端／歯状部
２６  溝
２８  ローレット面
１４１  第１の密度のアブレイダブル皮膜
１４２  第２の密度のアブレイダブル皮膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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